自动化控制系统在自来水厂节能降耗中的应用

摘要：近年来，城市供水问题日益严峻，自来水厂的建设也不断加快，各种控制设备相继得到应用。随着自动化水平的不断提高及其在社会各个方面的应用越来越广泛，PLC自动控制系统在自来水厂也发挥了其强大的优势。文章结合广东省佛山市顺德区乐从水厂自控系统具体工程实例，介绍了自动控制系统如何实现自来水厂节能降耗情况。

关键词：自来水厂；节能降耗；自动化控制系统；加药加氯；智能排泥；恒压供水 文献标识码：A

中图分类号：TP393 文章编号：1009-2374（2015）14-0099-03 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2015.14.049

乐从自来水厂自动化工程位于广东省佛山市顺德区，乐从水厂建设规模为20万m3/d，水厂采用北江水源，为保证水厂能达到节能降耗，要求我公司对其水厂进行自动化控制设计。

水厂工艺：取水泵房→加药、前加氯→反应池→平流沉淀池→V型滤池→后加氯→清水池→补氯→输水管网→用户。

水厂主要的能源消耗包括电量、水量、加药量及消毒氯气消耗量等，为更好地控制能源的消耗，必须对水厂各工艺进行相应的节能控制。

1 取水泵站自动化控制系统的设计

取水泵站一共有4台取水泵（其中2台变频泵及2台定速泵，3用1备），主要为整个水厂进行原水的供应，是电量的主要消耗站之一，也是水厂控制电量的关键部位。为保证最大限度降低电耗，需把水泵分为两个组：运行的变频泵设定为变频泵组，另一台变频泵及定速泵设定为定速组。每次运行均至少开启一台变频器，当运行变频泵设定时间到时，且另一变频泵不运行时，将自动切换至另一变频泵。自控系统将根据清水池水位增减相应的水泵。

1.1 取水变频泵的频率调整

原水变频泵的频率将根据清水池水位设定值调整。PLC不断调整变频泵的频率。变频泵的频率及频率阀值以百分比表示。原水变频泵的运行频率要介于最小和最大频率之间，频率限定值在SCADA系统中设定。PLC记录变频泵停止前的频率，以便于变频泵再次启动后保持之前的频率。

1.1.1 增加变频泵频率。PLC连续每分钟采集清水池水位，计算清水池水位差Q趋势（液位以厘米计算）。

Q=Lnow[当前值]-Ltime[一分钟前值]

如果下面条件满足则增加变频泵频率：

设定清水池标准液位（Lset）>清水池水位，且Q<0，则每分钟增加变频泵频率2Hz。

1.1.2 减少变频泵频率。如果下面条件满足则减少变频泵频率：

设定清水池标准液位（Lset）<清水池水位LIT401A，且Q>0，则每分钟减少变频泵频率2Hz。

1.2 定速泵的启动数量

定速泵的启动数量由变频泵的运行频率决定，为了更好地控制定速泵的数量，需要定义两个限定值：

限定值1：启动一台定速泵时变频泵频率

限定值2：停止一台定速泵时变频泵频率

启动一台原水定速泵，当变频泵的频率高于等于限定值1（例如48.5Hz）并且至少有一台定速泵可用时启动一台定速泵。

停止一台原水定速泵，当变频泵的频率低于限定值2（例如35Hz）并且至少有一台定速泵运行时停止一台定速泵。

2 加药加氯系统自动化控制设计

2.1 加药系统

加药系统主要节能控制点在于控制药耗。水厂加药系统主要用于控制聚合氯化铝的投加，为保证系统的节能降耗，主要控制在于精确计算氯化铝的投加量。乐从水厂设计3台加药计量泵，计量泵的速度需通过PLC计算并直接通过通信进行速度控制给定。

聚合氯化铝投加泵的速度设定由PLC按照以下因素计算而来：聚合氯化铝投加泵的额定投加流量，单位：L/h；聚合氯化铝投加泵的手动冲程，单位：%，由操作员录入；聚合氯化铝的浓度，单位：g/L，由配药完成后系统自动计算；聚合氯化铝的投加量，单位：mg/L，由操作员录入；沉淀池进水流量，单位：m3/h，由PLC计算，取原水流量计连续10s的平均值。

如果投加浓度、原药浓度、泵的冲程固定，那么投加泵的频率和沉淀池进水流量之间是线性关系。为保证节能效果，设计时将根据不同的原水浊度进行投加比例的动态调节。

如图1所示：

图1

根据上面列出的工艺参数，投加泵电机的频率计算公式如下：

2.2 加氯消毒站程序设计

整个水厂的加氯系统由气源系统，真空加氯系统，压力水供应系统，电气、控制检测仪表系统，氯气泄漏检测及安全防护系统组成。

为了掌握加氯是否处在手动或自动加氯状态，在加氯机中引出了加氯机的手动/自动选择信号。

2.2.1 前加氯控制设计。

前加氯机的控制方式：

前加氯的作用主要是防止藻类和破坏胶体，所以前加氯一般根据原水流量按比例投加：

加氯机开度控制=源水流量（m3/h）*投加量（kg/km3）/1000

本工程共设置两台前加氯机，一用一备。当使用加氯机故障时，在SCADA上发出警报，并自动切换至另一台备用前加氯机，

2.2.2 后加氯控制设计。

后加氯主要作用是保证出厂水中余氯含量，起到清水池及出厂水管道消毒作用。控制方式如下：

加氯机开度控制=流量主控制量+余氯控制量

流量主控制量=滤后水流量或源水流量（m3/h）*投加量（kg/km3）/1000

余氯控制量根据滤后水余氯高低进行控制，控制范围规定在流量主控制量的±5%。

当余氯高于SCADA中设定的余氯值时，每分钟余氯控制量-0.2kg（可以SCADA中设置）

当余氯低于SCADA中设定的余氯值时，每分钟余氯控制量+0.2kg（可以SCADA中设置）

本工程共设置2台前加氯机，一用一备。当使用加氯机故障时，在SCADA上发出警报，并自动切换至另一台备用前加氯机。

3 沉淀池排泥系统自动化控制设计

沉淀池排泥系统主要由排泥阀、排泥车组成。该环节的节能控制关键点在于排泥过程中合理排水，在污泥排放时尽量减少不必要的排水。

3.1 沉淀池排泥阀控制

沉淀池排泥阀周期性排泥：排泥周期可设定；各排泥阀开阀时间可设定。

排泥周期可设定：用户可根据原水水质进行排泥周期的设定，合理减少排泥时间。

各排泥阀开阀时间可设定：用户可根据平流沉淀池的具体特性，设置各阀门的相应开启时间。泥多的位置可以设置排泥时间大些，泥少的位置可设置排泥时间小些。两种排泥时间设置可充分节约用水，不影响加药效果。

3.2 排泥车控制

沉淀池排泥车的过程控制：由于沉淀池长度约100m，长度较长，而按照沉淀池的沉泥规律，从沉淀池的进水到出水，池底所沉积的泥厚度按从多到小逐步递减的规律进行，因此，为了达到排泥车的排泥效果而又减小不必要的排水浪费，排泥车的行走电机可采用变速电机，在沉淀池的进水端采取慢速行走，而在沉淀池的出水端采取快速行走，或排泥车的行走电机为定速电机，排泥车从沉淀池的进水端前行全程1/3，后退至沉淀池进水端，再从进水端排泥至出水端，空车返回。

4 送水泵站自动化控制设计

送水泵房一共有4台清水泵，分别为2台变频泵及2台定速泵组成。正常使用时为3用1备。

每次运行均至少开启一台变频器，当运行变频泵设定时间到时，且另一变频泵不运行时，将自动切换至另一变频泵。系统分为两个组：运行的变频泵设定为变频泵组P401A/C，定速泵P401B/D设定为定速组。

运行的变频泵的频率根据出厂水压力设定值调整。定速泵启动的个数根据变频泵的频率决定启动台数。

4.1 加压变频泵的频率调整

加压变频泵的频率根据SCADA设置的压力值进行PID恒压控制，PLC不断调整变频泵的频率。变频泵的频率及频率阀值以Hz表示。

4.2 增加变频泵频率

变频泵频率由用户设定压力值及实际管道压力计决定。PLC通过PID运算调整变频泵频率，当管道压力小于用户设定压力时，变频泵频率将增加。

4.3 减少变频泵频率

PLC通过PID运算调整变频泵频率，当管道压力大于用户设定压力时，变频泵频率将减少。

4.4 定速泵的启动数量

定速泵的启动数量由变频泵的运行频率决定。

为了更好的控制定速泵的数量，需要定义两个限

定值：

限定值1：增加一台定速泵时变频泵频率

限定值2：停止一台定速泵时变频泵频率

4.5 启动一台送水定速泵

当变频泵的频率高于等于限定值1（例如48.5Hz）并且至少有一台定速泵可用时启动一台定速泵。

4.6 停止一台送水定速泵

当变频泵的频率低于限定值2（例如35Hz）并且至少有一台定速泵运行时停止一台定速泵。

5 结语

总而言之，PLC自控系统在自来水生产中的应用可以实现自动化生产、降低药耗和能耗，减轻工人劳动强度、减少了员工数量，同时还能提高管理水平和水质，给企业创造了很好的经济效益和社会效益，因此，该技术在自来水厂中具有很好的推广前景。

参考文献

[1] 林洁.PLC控制在水厂自动化控制中的运用[J].科技风，2011，（8）.

[2] 李友善.自动化控制原理（上册）[M].北京：国防工业出版社，1994.

作者简介：容得宇，广东佛山市顺德科力给排水工程发展有限公司开发部经理，信息系统项目管理师高级职称，一级注册建造师，研究方向：净水厂、污水处理厂相关电气、自动化监控、工艺、仪表；西门子、美国AB、施耐德等多家PLC编程、网络及监控组态等软件。

（责任编辑：秦逊玉）